Ramanspektroskopie von CO2, H2O und N2 in Cordierit

Das Fe-Mg-Silikat Cordierit ist von großem Interesse für die moderne Forschung. In synthetischer Form kommt er aufgrund seiner geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dielektrischen Konstante in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz, z.B. als keramischer Werkstoff in Mikroelektronik oder Dieselpartikelfilter. Große, natürlich vorkommende, bläuliche und einschlussarme Einkristalle mit der Bezeichnung "Ijolit" werden als Edelsteine verwendet. In den Erdwissenschaften dient Cordierit unter anderem zur Rekonstruktion von Druck- und Temperaturbedingungen metamorpher Gesteine und der Zusammensetzung der bei fast allen geologischen Prozessen beteiligten fluiden Phase. H2 O, CO 2 , N2 und große Kationen wie Natrium und Kalium können in die Kanal-artige Struktur des Cordierit eingebaut werden. Dies beeinflusst seine Stabilitätsbedingungen und Ergebnisse thermobarometrischer Berechnungen. Die genaue Kenntnis der chemischen Zusammensetzung ist deshalb sehr wichtig. Mikro-Raman Spektroskopie erlaubt schnelle und zerstörungsfreie in situ Messungen sowohl von Einzelkristallen als auch miteinander verwachsener Kristalle in Gesteinsdünnschliffen. Die erreichbare Volumenauflösung liegt dabei unter 5 m3 . Ziel dieses Projektes ist die Verbesserung bzw. Entwicklung einer Methodik basierend auf Mikro-Raman Spektroskopie zur in situ Bestimmung von CO 2 -, H2 O- und N2 -Gehalten von Cordierit Einzelkristallen und in Gesteinsdünschliffen. Dazu werden relative Intensitäten der charakteristischen Schwingungsbanden von CO 2 , H2 O und N2 verwendet. Darüber hinaus kann das Eisen-Magnesiumverhältnis im Mikrometermaßstab schnell und zerstörungsfrei durch Untersuchung der linearen Verschiebung bestimmter Schwingungsbanden ermittelt werden. Synthetische Cordierit Mischkristalle werden zur Kalibrierung verwendet. CO 2 - und H2 O-Gehalte des synthetischen Cordierit werden durch unabhängige Messungen mittels Infrarot-Spektroskopie, Thermogravimetrie - Differentielle Thermoanalyse und Coulometrische Titration bestimmt. Die entwickelte Methodik wird auf natürlichen Cordierit aus mehreren hochgradig metamorphen Gebieten angewendet, um dessen CO 2 -, H2 O- und N2 -Gehalte zu bestimmen. Haupt-, Spurenelement- und Fluidgehalte des Cordierit wird durch Elektronenstrahlmikrosonde mit hoher Ortsauflösung ermittelt. Automatisierte Mikro-Raman- spektroskopische Messungen an ausgewählten Proben sollen Hinweise auf die Zonierung von Volatilen in Einzelkörnern liefern. Ein besseres Verständnis der Volatilverteilung in Cordierit aus hochmetamorphen Krustengesteinen wird auch zur besseren Rekonstruierung der Entwicklungsgeschichte dieser Gesteine beitragen.

Cordierit, ein wichtiges Mineral in der Erdkruste aber auch in zahlreichen technischen Anwendungen, wurde künstlich hergestellt und eine Methode zur quantitativen Bestimmung der Gehalte von Kohlendioxid, Wasser oder Stickstoff mittels Mikro-Raman-Spektroskopie entwickelt. Diese Methode, die auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie basiert, erlaubt die Analyse von Kristallen bis zu einer Größe eines Tausendstel Millimeters. Weiter sind Änderungen im Eisen-Magnesium Verhältnis in diesem mikroskopischen Maßstab bestimmbar. Die Methode wurde auf natürliche und künstlich hergestellte Cordierit Kristalle angewendet und trug zu einem besseren Verständnis des Wachstums, der Kristallstruktur, der physikalischen Eigenschaften, Umwandlungen und zur Rekonstruktion der geologischen Geschichte von Wirtsgesteinen bei.Wegen seiner geringen Ausdehnung bei Temperaturänderungen und elektrisch isolierenden Eigenschaften wird die künstlich hergestellte Form von Cordierit für Keramiken in der Mikroelektronik, als Dieselpartikelfilter oder für Katalysatoren verwendet. Die Erkenntnisse des Projektes stellen die Grundlagen für die Entwicklung neuer Herstellungsarten und Anwendungen bereit. In den Erdwissenschaften ermöglicht Cordierit die Berechnung von Druck und Temperatur von Gesteinen, ihrer zeitliche Entwicklung und der chemischen Zusammensetzung der fast immer beteiligten fluiden Phase. In der Kanal-ähnlichen Struktur beeinflussen die eingebauten Moleküle Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff die Ergebnisse solcher Berechnungen. Die genaue Kenntnis ihrer Menge und Verteilung ist deshalb sehr wichtig. Schnelle und zerstörungsfreie Messung von hochqualitativem, Einschluss-freiem und durchsichtigem Cordierit, genannt Ijolit und den nahe verwandten Beryll-Mineralen Smaragd und Aquamarin sind für die Herkunftsanalyse in der Edelsteinindustrie und Archäologie interessant.